宇宙開発への情報技術の貢献：2．小惑星探査機「はやぶさ2」 -深宇宙のための自律化技術-

全文

(1)小特集. 宇宙開発への情報技術の貢献基応専般. 02. 小惑星探査機「はやぶさ 2」 ─深宇宙のための自律化技術─ 大島武（NEC 宇宙システム事業部プロジェクト推進部）津田雄一（宇宙航空研究開発機構） . はやぶさ 2 のミッションと自律性 1）. 確定的に扱えず，イベントドリブンのシーケンス設計となる．. 小惑星探査機はやぶさ 2 （図 -1）は，2014 年 12. （1）については，はやぶさ 2 の小惑星近傍運用時. 月 3 日に種子島宇宙センターから H2A ロケットにより. の地球距離は最大 3.6 億 km であり，電波の往復伝. 打ち上げられた．はやぶさ 2 の目的は，電気推進航. 播時間に換算すると，およそ 40 分に相当する．こ. 行によって近地球型小惑星にランデブし，その場観. れは小惑星に近接するタッチダウンのような運用の. 測／サンプル採取を行い，地球にサンプルを持ち帰る. ダイナミクス時定数（秒オーダ）に比してきわめて長. ことであり，2010 年に地球帰還を果たしたはやぶさ 1. いため，機上の自律判断が必須となる．. （初号機）の技術を継承し，発展させたミッションで. （2）については，海外局を使用しない場合の 1 日. ある．. あたりの可視時間は 8 時間程度である．電気推進運. はやぶさ 2 のような小惑星探査機には，主として以. 用や小惑星相対航法誘導等，可視／非可視にかかわ. 下の観点から高度の自律性が要求される．. らず環境変化や探査機の状態変化を監視し適応する. （1）地球探査機間距離が長いため，地上からの指令ベースの運用が成立しない．. 運用ができることが必須である．（3）については，小惑星の微小重力環境では，探. （2）探査機と地上局が常に通信回線で結ばれてはい. 査機の制御誤差や小惑星表面の凹凸等の不確定性. ない一方，任意の時刻指定で実施すべきタスク（コ. 等が，降下／着陸の運用シーケンスの時間をばらつ. マンド列）が多数存在する．. かせるため，高度判定／姿勢収束判定等のイベント. （3）小惑星着陸のような小惑星相対の運用は時間を. を探査機が自律的に検出してシーケンスを進行させる，イベント検出に基づく状態遷移が必須となる．本稿は，以上のようなはやぶさ 2 に求められる自律性を，いかに深宇宙探査機のコマンド処理機能として一般化／単純化し，信頼性を有する汎用機能として搭載したかについて詳述する．深宇宙探査機の自動化自律化としては，小惑星／彗星探査機 Deep Space 1 の例. 2）. が. あるが，はやぶさ 2 は，複数の機器がイベントドリブンで協調的に動作するところに特徴がある．図 -1 小惑星探査機はやぶさ 2（イラスト：池下章裕氏）〈本特集（p.652）にてカラー画像掲載〉. 660. 情報処理 Vol.56 No.7 July 2015.

(2) 小惑星探査機「はやぶさ 2」─深宇宙のための自律化技術─. 自動化自律化機能はやぶさ 2 の，自動化自律化にかかわ. ②. るブロック図を図 -2 に示す．はやぶさ 2 に実装されている自動化自. を活用した自律化，について解説する．. 通信系. 意している．このコマンドにより，たとえば，. AOCS アクチュエータ. 256 (MAX). ンク／ダウンリンクで使用するアンテナを. MC000 MC001 MC002 ・・・ MC254 MC255. TC00 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. TC01 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. TC02 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. MC : Macro TC : Telecommand. 図 -3 DHU SMC（Short Macro Command）機能. LMC （Long Macro Command ）. 128 TC Packets (MAX). SMC は，ある「やりたいこと」を実現する 32 (MAX). あるが，コマンドによっては，実行後に待ち時間が必要なものがある．たとえば，CPU. MC256 MC257 MC258 ・・・ MC286 MC287. TC00 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. TC01 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. TC02 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・. を ON してからコマンド受信できるようにな. Command interval is 1×n sec.. るまでの待ち時間などである．そのような場. (When n=0, time interval is 100ms and no. 時間で指定し，一連のシーケンスを実行する. TC19 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. 32bytes (MAX). (The other CMDs are inhibited in this time. ). レーションは気にせず，「やりたいこと」に. TC18 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 100ms interval. 選択する．運用者は，細かいコンフィギュ. 合にも対応できるよう，コマンド間隔を相対. AOCS センサ. 20 TC Packets (MAX). ら複数の RF スイッチを切り替え，アップリ. ずに実行するよう）パッケージ化したもので. 状態遷移検知＋時刻発火型のシーケンスプログラム（GSP）で配下機器を制御. 図 -2 自動化自律化関連ブロック図. DHU（Data Handling Unit）内に SMC を用. 一連のコマンドを，（基本的には時間を空け. AOCS 系主計算機（AOCP）. 航法カメラ. 観測機器. このための機能として，はやぶさ 2 では，. 対応する SMC を実行すれば良い（図 -3）．. 航法画像制御計算機（ONC-E）. ※ターゲットマーカ分離時の命令伝達経路例 ① AOCS 内部変数により指定高度に到達したことを検知し，データ処理系にコマンド実行要求送信 ②データ処理系が点火管制に，ターゲットマーカ分離を指令. SMC （Short Macro Command）. RF（Radio Frequency，電波）を OFF してか. ①. …. ♦♦DHU 自動化（運用の省力化）. 1 コマンドで実行できると便利である．. 全コンポーネントの監視・制御 • 全コンポへのコマンド・HK 収集 • 時刻発火型のストアドコマンド • 状態遷移検知型（IF-THEN ルール）の自律コマンド • 他機器からのオンデマンドコマンド実行の処理. 状態遷移検知＋時刻発火型の観測制御プログラムで配下機器を制御. 電源系. の土台となる自動化，次に②自動化機能. 複数の機器に対する複数のコマンドを，. ミッション系制御計算機（DE）. 点火管制. 律化機能について，まずは①自律化運用. データ処理系主計算機（DHU）. 02. TC126 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. TC127 TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. 32bytes (MAX). (n=0～255; integer) other CMDs can interrupt.）. 図 -4 DHU LMC（Long Macro Command）機能. ものとして LMC がある．LMC により，はやぶさ 2 は，1 コマンドで「一連の運用シーケンス」を. 多くの機器で実装している Watch Dog Timer 機能を，. 実行できる．LMC は複数（最大 32）の同時動作が可. 探査機としても持ちたいときがある（たとえば，10 日. 能である（図 -4）．. 間地上からのコマンドを受信しない場合，受信機を. ST （System Timer）. 切り替える等）．このような用途のために用意してい. 探査機運用では，周期的に何かを実行したいとき. るのが ST である．. がある（たとえば，10 分に 1 回撮像したい等）．また，. ST は時限タイマであり，コマンドでタイマリセット. 情報処理 Vol.56 No.7 July 2015. 661.

(3) 小特集. 宇宙開発への情報技術の貢献. されなければ，あらかじめ設定された時間 ①Single CMD execution. でタイムアップし，あらかじめ設定されたコマンドを実行する（図 -5）． TL （Time Line Command）非可視運用対応としては，時刻付コマンドである TL がある．これにより，指定時間にあらかじめ設定したコマンドを実行する（図 -6）．. ♦♦DHU 自律化. 機器1. Scheduled Timer Reset by Real Time CMD 8 (MAX). ST0 ST1 ST2 ・・・ ST6 ST7. Count Count Count ・・・ Count Count. 128s～97days. TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. 機器2. Time Up. 機器3. ②Macro CMD execution (Short/Long) TC00 MC*** TC Packet. TC01 TC Packet. TC02 TC Packet. ・・・. TC18 TC Packet. TC19 TC Packet. 32bytes (MAX). 図 -5 DHU ST（System Timer）機能. 前節で述べた自動化を下敷きとして，はやぶさ 2 は以下に述べる自律化機能を. ①Single CMD execution. 持つ． AT （Autonomous Command） AT は，DHU が持つ機能である．探査機全体の状態を示す HK（House Keeping）. 512 (MAX). データを基に，あらかじめ設定した条件が成立した場合に，あらかじめ設定した. TL000 TL001 TL002 ・・・ TL510 TL511. Exec. Time Exec. Time Exec. Time ・・・ Exec. Time Exec. Time. TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. CMD execution at speciﬁed time. 機器2. 32bytes (MAX). コマンドを実行する（たとえば，温度が上がり過ぎた場合に当該機器を OFF する. 機器1. Weekly CMD upload. 1s step, ～ 4.25years. 機器3. ②Macro CMD execution (Short/Long). TC00 MC*** TC Packet. TC01 TC Packet. TC02 TC Packet. ・・・. TC18 TC Packet. TC19 TC Packet. 図 -6 DHU TL（Time Line command）機能. 等）．これにより，長い伝搬遅延時間や非可視時間帯のため，リアルタイムで状況が把握でき. 姿勢制御，軌道制御，各種 FDIR（Failure Detec-. ない場合でも，探査機に自分で判断させ，危険を回. tion, Isolation and Reconfiguration）の機能を持つ. 避できる（図 -7）．. が，アプリオリで設定されている上記機能に加えて，. REQ （User Request Command）. 軌道上でプログラミング可能な GSP（Guidance Se-. AT は集中制御であったが，はやぶさ 2 は分散制. quence Program）機能を持つ．ここでは，本 GSP. 御の仕掛け REQ も持つ．REQ 機能により，DHU-. 機能について解説する．. PIM（Peripheral Interface Module）バスに接続さ. GSP では，条件判定テーブル CBT（Condition. れた任意の機器からのトリガで，あらかじめ DHU. Branch Table）を 8 ページ持っており，運用フェー. 内に登録したコマンド（主にトリガ源以外の機器に. ズごとに，その中の 1 ページを使用する．それぞれ. 対するコマンド）を実行できる（図 -8）．. のページにおいて，" 状態 " を最大 256 個定義でき. ♦♦AOCS 自動化自律化（GSP）. ド（タイマ操作，DE（Sensor Digital Electronics）. 前項で述べた REQ は機器間協調制御の仕掛けで. 観測プログラム実行，ACFS へのコマンド（REQ 発. あるが，これが活きるためには，DHU 以外の機器. 行含む））や，状態遷移条件が紐づけされている．. での自動化自律化が必要である．まずは，AOCS. GSP を起動すると，探査機のイベントに対応して，. （Attitude & Orbit Control System）の自動化自律化. CBT で定義された状態遷移が実行され，必要なコマ. 機能について述べる．AOCS の主計算機の搭載ソフト（ACFS : Attitude Control Flight Software）にて，. 662. る．各 " 状態 " には，その状態で実行すべきコマン. 情報処理 Vol.56 No.7 July 2015. ンドが順次実行される．.

(4) 小惑星探査機「はやぶさ 2」─深宇宙のための自律化技術─. 02. ♦♦DE 自動化自律化（観測プログラム） TC00 MC*** TC Packet. 次に，DE の自動化自律化機能（観測観プロは DE 配下にある 4 つのセンサ（ONC : Optical Navigation Came r a , T I R : T h e r m a l I n f r a r e d I m a g e r,. 32 (MAX). Comparison cycle is 8s.. NIRS3 : Near Infrared Spectrometer, コマンド送出，テレメトリデータ受信，の記録をプログラムするためのものであ. Check HK Check HK Check HK ・・・ Check HK Check HK. ・・・. TC18 TC Packet. TC19 TC Packet. TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. （1）Single CMD execution. 32bytes (MAX). Value Comparison Previous HK Constant Number > Cur.HK Prev.HK+B Cur.HK > Const. = Cur.HK Prev.HK Cur.HK = Const. < Prev.HK-B Cur.HK < Const. Cur.HK ≠ Prev.HK Cur.HK ≠ Const. Cur.HK |Cur.HK-Prev.HK| > Bias. 図 -7 DHU AT（Autonomous command）機能. る（はやぶさ 2 で新たに導入）．1 step. 機器2. 機器1. ごとに，センサ制御を行うための「センサマクロコマンド」と，DE が画像処理. Request. をするための「演算マクロコマンド」が. Trigger. 指定できる．この 2 つは 1step 内で同. 32 (MAX). 時に動作し，両者とも終了した時点で次の step に進む．センサマクロコマンド側には実行時間間隔も指定でき，これにより，相対時刻指定の一連のシーケンス. Condition Condition Condition ・・・ Condition Condition. Type: Bit Comparison Compared to: Previous HK Constant Number Cur.HK=1 & Prev.HK=0 Condition: Cur.HK=1 & Const.=0 Cur.HK=0 & Prev.HK=0 Cur.HK=0 & Const.=0 Cur.HK = Prev.HK = Const. Cur.HK Cur.HK=1 & Prev.HK=1 Cur.HK=1 & Const.=1 Cur.HK=0 & Prev.HK=1 Cur.HK=0 & Const.=1 Cur.HK ≠ Prev.ＨＫ Cur.HK ≠ Const.. D C A M3 : D e p l o y a b l e C a m e r a）への各種画像処理，DR（Data Recorder）へ. AT00 AT01 AT02 ・・・ AT30 AT31. TC02 TC Packet. （2）Macro CMD execution (Short/Long). HK collection. プログラム：観プロ）について述べる．. TC01 TC Packet. 機器3 機器4. ①Single CMD execution REQ00 REQ01 REQ02 ・・・ REQ30 REQ31. TC Packet TC Packet TC Packet ・・・ TC Packet TC Packet. ②Macro CMD execution (Short/Long) TC00 MC*** TC Packet. TC01 TC Packet. TC02 TC Packet. ・・・. TC18 TC Packet. TC19 TC Packet. 32bytes (MAX). 図 -8 DHU REQ（User Request Command）機能. を実行することができる（図 -9）．. 自動化自律化運用の実際. 観測プログラム（最大 31 本）. これまでに述べた自動化自律化機能は，それぞれが単独でも動作するが，個々の自動化自律化機能の Enable/Disable を介して相互に影響し合い，全体として高度で複雑な機能を実現していく．. START START センサマクロ. 自動化自律化の，はやぶさ 2 としての活用例を以下に示す．. センサコマンド. センサマクロ. 徴点を人間の目で判断して誘導する方法（GCPNAV：Ground Control Points Navigation）をと. 最大 31 コマンド. センサコマンド END. 最大 255step. START 画像基本演算. 演算マクロ. センサマクロ. 画像基本演算. ら小惑星に向かって降下していく．このとき，水平方向については，ONC 画像に基づき，特. CALL. 演算マクロ. 図 -10 は，タッチダウンシーケンスである． ①では，高度 20km の HP（Home Position）か. センサマクロ（最大 125 本）. センサコマンド. 演算マクロ. END. 繰り返し回数最大 255. 繰り返し回数最大 255. 演算マクロ（最大 63 本）. 最大 63 演算. 画像基本演算 END. 図 -9 DE 観測プログラム機能. るが，垂直方向は ACFS による自動制御である． ②以降は 6 自由度とも自動制御となり，③で TM. ⑤でタッチダウン（TD）．TD 検知後は自動で離脱. （Target Marker）を分離，④で小惑星表面にならい，（⑥）する．このシーケンスを実現するのに，メイ. 情報処理 Vol.56 No.7 July 2015. 663.

(5) 小特集. 宇宙開発への情報技術の貢献. Alt.20km. Reference Path. True Path. ①Leaving HP. Starting GCP-NAV (Ground/Onboard Hybrid Navigation). 今後の予定はやぶさ 2 は，2015 年 12 月に地球 swing-by し， 2018 年 6 月～ 7 月ごろに小惑星 1999JU3 とランデブ．そこで，本稿で述べた自由度の高い自動化自律. ②Entering Autonomous Mode Alt.100km. 化機能を駆使して，タッチダウン等の複雑なミッションを実施．その後は，2019 年 11 月～ 12 月ごろ. ③Deploying Target Marker. V. ⑥Escape V. Alt.30km ④Aligning Attitude to Local Surface ⑤Touch Down. Alt.0km. 図 -10 自動化自律化を活用したタッチダウン. に小惑星を出発，2020 年 11 月～ 12 月ごろに地球に帰還する予定である．参考文献 1）Tsuda, Y., Yoshikawa, M., Abe, M., Minamino, H. and Nakazawa, S. : System Design of The Hayabusa 2 – Asteroid Sample Return Mission To 1999 JU3, ActaAstronautica, Vol.90, pp.356–362 (2013). 2）Riedel, J. E., et al.： Navigation for the New Millennium: A u t o n o m o u s N a v i g a t i o n f o r D E E P S P A C E 1, E S A S P, No.SP-403, pp.303–320 (1997). (2015 年 4 月 17 日受付）. ンのシーケンスは AOCP（Attitude & Orbit Control Processor）の ACFS と GSP，各種安全処置は DHU の AT，AOCP から他機器へのコマンドは DHU の REQ 経由，各種観測は DE 観測プログラムを使用する．. 大島武 ■ [email protected] 1990 年東京大学工学系大学院電子工学専攻修士課程修了．同年 NEC 入社．衛星搭載用ディジタル機器開発を経て，1996 年小惑星探査機はやぶさシステムマネージャ，2007 年金星探査機あかつきプロジェクトマネージャ，2010 年小惑星探査機はやぶさ 2 プロジェクトマネージャ， 2015 年ジオスペース探査衛星 ERG プロジェクトマネージャ．津田雄一 ■ [email protected] 2003 年東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻博士課程修了．博士（工学）．同年宇宙航空研究開発機構助教．2014 年同准教授． 2007 〜 08 年ミシガン大学およびコロラド大学客員研究員，軌道工学・誘導制御，宇宙機システムの研究開発教育に従事．現在，小惑星探査機はやぶさ 2 プロジェクトマネージャ．. 664. 情報処理 Vol.56 No.7 July 2015.

(6)